Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.

Методическая статья

Микросепаратор Изготовление вогнутая пористости PDMS шариков

8K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/53440

⸱

15 декабря 2015 г.

 , 
1Department of Chemistry, Western Kentucky University

В этой статье

Краткое содержание

Представлены процедуры, используемые для получения микроструктурированных гранул полидиметилсилоксана с вогнутой пористостью. Особое внимание уделяется влиянию концентрации электролита и его идентичности в водной фазе.

Аннотация

Изготовление микропузырьков (с использованием мелкодисперсной эмульсии) обеспечивает возможность увеличения отношения площади поверхности к объему (SAV) полимерных материалов, что особенно полезно для применения в области разделения. Гранулы пористого полидиметилсилоксана (PDMS) могут быть получены путем термического отверждения такой эмульсии, что позволяет на границе раздела между водной и алифатической фазами формировать морфологию полимера. В описанных здесь процедурах полимер и сшивающий агент (триэтоксисилан) обрабатываются ультразвуком в ультразвуковой обработке в холодной ванне. После периода сшивания эмульсии добавляются по каплям в горячий раствор поверхностно-активного вещества, что позволяет водной фазе эмульсии отделяться и образует пористые полимерные шарики. Мы демонстрируем, что этот метод можно настроить, а коэффициент SAV оптимизировать, регулируя содержание электролита в водной фазе в эмульсии. Полученные таким образом бусины визуализируются с помощью сканирующей электронной микроскопии, а репрезентативные соотношения SAV определяются с помощью анализа Брунауэра-Эмметта-Теллера (BET). Наблюдается значительная вариабельность идентичности электролита, но общая тенденция последовательна: при определенной концентрации наблюдается максимум SAV, после чего пористость заметно снижается.

Введение

Полидиметилсилоксан (PDMS) является одним из наиболее широко используемых силиконовых соединений. Его биосовместимость привела к широкому использованию в имплантатах и других биомедицинских инженерных конструкциях1,2. Он тривиально сшивается в упругие структуры с помощью органосилильного соединения (например, триэтоксисилана), что является простой и надежной процедурой, которая сделала его полезным для применения литых полимеров, где требуется некоторая гибкость3. После сшивки PDMS в значительной степени инертен, особенно в биологических условиях, и поэтому полезен для различных пищевых и медицинских применений4,5. Простота литья, химическая инертность и гидрофобность сделали его естественным выбором для микрофлюидных устройств6,7. Его сродство к негалогенированным, неполярным органическим соединениям сделало его популярной стационарной фазой в химии разделения8-10.

В последнее время микропузырьковые производства стали использоваться для получения пористых шариков для использования в качестве структурных субстратов катализатора или в химических сепарациях11,12. В обоих случаях идеальные материалы будут иметь максимальное соотношение площади поверхности к объему (SAV) для достижения наилучшей эффективности. В процессе изготовления микропузырьков микроструктурирование материалов обычно осуществляется путем выделения полимера в алифатических «микропузырьках» путем эмульгирования в водной непрерывной фазе. В первоначальном отчете о микропористых гранулах PDMS получали их путем механической эмульгирования двух фаз (алифатической и водной)13. Исходная жидкость PDMS (и ее сшивающий агент) растворяется в алифатической фазе, которая структурируется в микроскопические гранулы путем принудительной кавитации в (непрерывной) водной фазе. Эмульгирование стабилизируется добавлением неионогенного поверхностно-активного вещества. Когда эмульсия добавляется по каплям в нагретую ванну, твердые шарики образуются путем агломерации микропузырьков в кластеры крошечных сфер сшитого PDMS. Наша цель в этом протоколе состоит в том, чтобы модифицировать эту процедуру для получения гранул с инвертированной пористостью для улучшения коэффициента SAV материала.

Как сообщалось ранее, контроль над шариками может быть в некоторой степени направлен соотношением алифатика/вода в эмульсии. Однако недавно мы сообщали, что добавление хлорида платины (IV) (PtCl4) инвертирует пористость: образуются материалы, в которых PDMS пронизана вогнутыми порами14. Это указывает на то, что водный слой кавитирует внутри алифатического, несмотря на то, что соотношение алифатическое:водное вещество сходно с тем, которое было опубликовано в оригинальной работе13. Основное преимущество нашего метода заключается в том, что эта вогнутая пористость должна естественным образом приводить к увеличению коэффициента SAV и, таким образом, к повышению эффективности для приложений аналитической химии. В то время как мы продолжаем исследовать специфические эффекты добавления соединения платины, мы показываем, что тот же эффект может быть достигнут при использовании любого воднорастворимого ионного соединения, хотя, возможно, в меньшей степени. Поскольку наши методы также отличаются в некоторых ключевых аспектах от того, о чем сообщалось ранее, мы представляем наши протоколы здесь в виде видео, чтобы побудить других расширить наши методы. В частности, мы используем обычный ультразвуковой аппарат для ванны, который используется для очистки стеклянной посуды или другого оборудования, а не (значительно более дорогой) ультразвуковой датчик, часто используемый для изготовления микропузырьков. Этот скорректированный подход к процедуре изготовления микропузырьков потенциально может быть распространен и на производство больших количеств сыпучих материалов, создавая пористые листы или плиты, которые могут применяться в биомедицинских устройствах, аэрокосмической и автомобильной промышленности, или в качестве субстратов для химического катализа. Пользователи, желающие получить микроструктурированные материалы с высоким коэффициентом SAV с использованием других подобных полимеров для таких анализов, могут обнаружить, что наши протоколы могут быть распространены на любой полимер, для которого может быть применен метод микропузырьковой эмульсии.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

1. Подготовка эмульсии

  1. Эмульсия Содержание
    1. Масса соответствующее количество соли, чтобы произвести 10 мл раствора 0,03-М. Для платины (IV) меры хлорида 0,101 г, цинка (II), хлорид (ZnCl 2) мера г 0,032, и хлорид натрия (NaCl) меры 0,018 г.
    2. В отдельных пробирках, растворить соль каждый в 10 мл деионизированной воды. Установите в сторону для последующего использования.
    3. Использование 20-мл, свариваемый стеклянную ампулу для содержания всей этой процедуры. Тары баланс в стеклянном флаконе.
    4. Взвесьте винил-прекращено полидиметилсилоксана, медленно выливая его в течение перемешивания стержня и в стеклянном флаконе отдыхает на нулевую отметку шкалы. Взвесить 1,02 г (эквивалент 1.080 мл).
      ПРИМЕЧАНИЕ: высокая вязкость этого полимера делает пипетки непрактично.
    5. Пипетка 1,02 мл н-гептана, флакона. Добавьте 2 капли неионогенные ПАВ (сорбитанмоноолеат) в пробирку. Пипетка 0,3 мл солевого раствора и 0,45 мл ди-воде во флакон.
    6. Печать стеклянный пузырек путем завинчивания крышки плотно. Встряхивать в течение 60 секунд, чтобы инициировать эмульсии перед началом ультразвуком.
  2. Строительство водяной бане Sonicator аппарата
    1. Заполните ультразвукового водой до минимального линии заполнения. Добавить 250 мл водопроводной воды в 400-мл химический стакан. Заполните 400-мл химический стакан, со льдом, так что уровень воды только на краю.
    2. Поместите эту мензурку внутри водяной бане ультразвуком. Проверьте заполнения строки на ультразвуковом, регулировочный, если необходимо. Поместите кольцо стоять прямо рядом с водой ванны для обработки ультразвуком.
    3. Использование двух кольцевого основания зажимов, расположить их таким образом, что рука вытянута из перпендикулярно к кольцу стоять и другой расширен в сторону водяной бане так, чтобы он был направлен вниз в стакан, наполненный льдом. Приложить другой зажим к кольцу стенд с термометром вниз в 400-мл химический стакан, так что температура может регистрироваться на протяжении обработки ультразвуком.
  3. EmulsifПорядок ication
    1. Поместите эмульсии, содержащей флакон так, чтобы он полностью погружен в 400-мл химический стакан, закрепив его в зажиме выступающего вниз в стакан.
    2. Убедитесь, что стеклянный сосуд, содержащий смесь PDMS не касаясь сторон стакана, чтобы устранить тепло, вызванное трением.
    3. Включите ультразвуком и установить время обработки ультразвуком в течение 7 минут. Поскольку эмульсии очень чувствителен к нагреву, чтобы температура внутри стакана находится между 0 и 5 ° С на протяжении обработки ультразвуком. Начало ультразвуком, как только температура внутри стакана желательно.
    4. После 7 мин ультразвуком, удалить пробирку и встряхните / завихрение в течение 1 мин, удерживая верхнюю часть флакона, чтобы устранить любые комки, которые могли бы служить в эмульсии.
    5. Утилизация содержимого стакана. Пополнение с 250 мл воды и добавить лед к заливке в пределах 1 см в верхней части стакана.
    6. Поместите флакон обратно в зажим. Погрузитесь под воду со льдом, чтобы resumэлектронной обработки ультразвуком в течение 7 минут.
    7. Повторите шаги 1.3.3 на 1.3.6 в общей сложности восемь, 7-минутных периодов обработки ультразвуком, или до тех пор, ультразвуком, кажется, быть однородными и не сгустки нет. Хранить при комнатной температуре.
      Примечание: Эмульгирование должны быть стабильными в течение нескольких дней, но могут быть восстановлены с помощью ультразвука, как описано выше в 7-минутные интервалы до тех пор, пока не появится однородной. Хранить при комнатной температуре.

2. Поперечное сшивание

  1. Настройка Для добавления триэтоксисилана / раствор ПАВ
    1. Пипетка 5,4 мл триэтоксисилан в пробирку. Поместите в стойку пробирки под капотом для последующего использования.
    2. Заполните 400 мл стакан с ледяной водой и поместите его под капотом. Рядом с 400 мл химический стакан месте кольцо Стенд с зажимом прикрепленной, расширена сразу после открытия стакана. Это будет ледяную баню для добавления триэтоксисиланом.
    3. Поместите горячую плиту с другой стороны кольцевого стенда. Заполните 800-мл химический стакан, с приблизительно 700 млводопроводная вода. Поместите его на горячей плите.
    4. Включите плитке и поддерживать температуру от 75 до 85 ° С внутри 800-мл химический стакан. Приложить зажим термометром до кольцевой подставке так, чтобы температура воды внутри 800-мл химический стакан можно контролировать.
    5. Производят поверхностно раствор растворением 0,5 г додецилсульфата натрия в 375 мл воды (4,62 мм). Добавить приблизительно 10 мл раствора ПАВ в чистую, пустую пробирку.
    6. Приложить другой зажим к кольцу стоять под капотом с испытательной трубке поверхностно закреплены таким образом, чтобы его уровень жидкости находится ниже поверхности воды внутри 800-мл химический стакан. Разрешить 10 мин для уравновешивания теплового.
    7. Намочите кусочек фильтровальной бумаги и поместите его в верхней части небольшой воронки. Поместите шток воронки внутри 250-мл колбу Эрленмейера и поместить колбу под капотом.
  2. Добавление триэтоксисилана
    1. Поместите флакон эмульсии в зажиме по сравнению с лед-вода клювомэ внутри капюшона. Поместите смесь PDMS в зажиме так, чтобы содержимое флакона ниже поверхности воды. Добавление триэтоксисиланом вызывает экзотермическую реакцию, поэтому эмульсия должна храниться холодной того, чтобы поддерживать свою структуру.
    2. Удалить крышку с стеклянный флакон, чтобы избежать накопления газообразного.
    3. Медленно влить пробирку, содержащую триэтоксисилан в стеклянный флакон в виде непрерывного потока в течение приблизительно 10 сек (примерно 0,5 мл / с).
      ВНИМАНИЕ: Добавление триэтоксисиланом инициирует экзотермическую реакцию и высвобождение каустической хлористого водорода (HCl) газа. Флакон станет очень жарко, и ядовитый газ будет эволюционировать от смеси. Не мешайте содержимое при добавлении триэтоксисилан.
    4. После добавления триэтоксисилан полностью, осторожно перемешать содержимое с стеклянной мешалкой стержня при ношении тепла защитные перчатки. Подождите в течение 2 мин или до остановки газовых развивающихся из флакона.
    5. Фоллявследствие поперечной сшивки, нет разделения фаз видна в образце. Если сгустки присутствуют, запечатать и встряхнуть флакон строго в течение 20 сек, держа флакон с крышкой.
  3. Бисера производство
    1. Используйте чистую, стекло пипетки Пастера, чтобы привлечь сшитый эмульсии из стеклянной ампуле. Добавить сшитого эмульсии каплям к раствору ПАВ (который должен быть сохранен от 75 до 85 ° C) в пробирку брать как можно меньше времени возможно между каплями.
    2. 30 сек до 1 мин после добавления эмульсии, раствор поверхностно-активного вещества медленно будет развиваться газ в качестве твердых начинают формировать внутри пробирки.
    3. В то время как носить защитные перчатки тепла, взять пробирку из зажима и залить все его содержимое в фильтрационного аппарата под капотом. Фильтры в течение 5 мин. Удалить фильтровальную бумагу из фильтра.
    4. Перевести отфильтрованные твердые частицы на часовом стекле и отдельных бусин для O / N сушки под чООД. Очистка гранул может быть отложено на неопределенный срок. Магазин Высушенные гранулы при комнатной температуре в герметично закрытой стеклянную пробирку, пока это необходимо, и чистый непосредственно перед использованием.
  4. Очистка бисера
    1. Создайте еще один фильтрации аппарат под капотом и поместите высушенные шарики внутри воронки в верхней части фильтровальной бумаги.
    2. Используйте пластиковую стирки бутылку с DI-воды, чтобы промыть шарики мягко, перемещая их вокруг немного, чтобы все шарики промывают.
    3. Пусть шарики высохнуть в течение 1 часа, помещая их на часовое стекло под капотом. Использование стирки бутылку с гексаном, чтобы промыть шарики, используя тот же способ промывки водой.
    4. Поместите шарики на часовое стекло. Поместите часы стекло и бисер под капотом высохнуть.
    5. После шарики полностью сухой, поместите их в небольшой закрывающийся стеклянный флакон и хранить при комнатной температуре для дальнейшего использования.
  5. Монтаж бисер для СЭМ анализа и SEM Настройки
    1. Поместите полоску делuble односторонней углерода проводящие ленты в верхней части заглушки на которую шарики будут смонтированы. Используя ножницы, обрежьте вокруг заглушки, чтобы не гарантировать лента висит над краями.
    2. Место кусок фильтровальной бумаги под заглушкой на плоской поверхности. Удалить верхний слой из ленты, так что клей нижняя подвергается.
    3. Аккуратно вылейте шарики над заглушкой. Некоторые шарики будут придерживаться ленты, но большинство будет отскакивать и земля, на фильтровальной бумаге. Залить их обратно в пузырек, если они остались на фильтровальной бумаге. Повторите, если необходимо, мытье любые бусы (в соответствии с 2.4.2 до 2.4.5), которые становятся загрязненными.
    4. Для обеспечения шарики находятся в безопасности на пенек, использовать шприц лампы и слегка дуть очень близко к поверхности заглушки. Налейте больше бусин на пенек, если лишь немногие, прилипшего к ленте. Убедитесь, что все шарики в безопасности до размещения заглушки в камеру SEM и эвакуации его.
    5. После того, как образцы были установлены правильно, они готовы пройти SEM анальныйлиз 15. Соберите изображения в режиме LOW переменного тока на 15 кэВ до оптимизации разрешения поверхностных особенностей шарик в.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

Типичные СЭМ изображения бусин, вытекающих из эмульсий с различными условиями электролита показаны на рисунке 1. 1А показывает шарик аналогичны полученным с помощью DuFaud и др. 13, полученные с использованием процедуры наши, без добавления какого-либо электролита. Бусины показано на фигуре 1В-D, в результате чего различной морфологии для каждого иона металла. Для всех рисунке, 300 мкл растворов 0,03 М-электролитов были использованы вместо 300 мкл де...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

Шарики, полученные с использованием этого протокола (и, регулируя концентрацию электролита и личность) принципиально отличаются от тех, производится с эмульсией низкой ионной силы, как видно из сравнения рис 1А с другими изображениями SEM в рисунке 1. Наш первоначальный отчет используется PtCl 4 с целью дальнейшего катализировать полимеризацию сшивку в водно-алифатической интерфейс 14. В этом докладе, крупные вогнутые углубления были замечены. С этого отчета, мы ус...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

Авторам нечего раскрывать.

Благодарности

Эта работа была поддержана Западного Кентукки университета Огден колледжа науки и техники, в том числе внутренней поддержки от кафедры химии и из Управления исследований (RCAP 13-8032). Помощь доктора Джона Andersland в WKU микроскопии (SEM фонда изображений) и адъюнкт-профессор Ян Као в WKU Института науки и техники горения (BET анализ) занимает центральное место в проведении этой работы.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Поли(диметилсилоксан), виниловый окончаниеСигма-Олдрич68083-19-2
н-гептанСигма-Олдрич142-82-5Легковоспламеняющийся
триэтоксисиланСигма-Олдрич998-30-1Легковоспламеняющийся, остротоксичный
сорбитан монолеат (Span-80)Флюкер1338-43-8
Платина(IV) ХлоридСигма-Олдрич13454-96-1Остротоксичный
хлорид цинка(II)Sigma-Aldrich7646-85-7
Хлорид натрияSigma-Aldrich7647-14-5
2,8 л Ультразвуковая аппарат для водяной баниVWR97043-964

Ссылки

  1. Pedraza, E., Brady, A. C., Fraker, C. A., Stabler, C. L. Synthesis of macroporous poly(dimethylsiloxane) scaffolds for tissue engineering applications. J. Biomater. Sci., Polym. Ed. 24 (9), 1041-1056 (2013).
  2. Ratner, B. D., Bryant, S. J. Biomaterials: Where we have been and where we are going. Annu. Rev. Biomed. Eng. 6, 41-75 (2004).
  3. Bélanger, M. C., Marois, Y. Hemocompatibility, biocompatibility, inflammatory and in vivo studies of primary reference materials low-density polyethylene and polydimethylsiloxane: A review. J. Biomed. Mater. 58 (5), 467-477 (2001).
  4. Kobayashi, T., Saitoh, H., Fujii, N., Hoshino, Y., Takanashi, M. Porous membrane of polydimethylsiloxane by hydrosilylation cure: characteristics of membranes having pores formed by hydrogen foams. J. Appl. Polym. Sci. 50 (6), 971-979 (1993).
  5. Yager, P., et al. Microfluidic diagnostic technologies for global public health. Nature. 442 (7101), 412-418 (2006).
  6. Yu, P., Lu, C. PDMS used in microfluidic devices: principles, devices and technologies. Adv. Mater. Sci. Res. 11, 443-450 (2011).
  7. Zhou, J., Khodakov, D. A., Ellis, A. V., Voelcker, N. H. Surface modification for PDMS-based microfluidic devices. Electrophoresis. 33 (1), 89-104 (2012).
  8. Spietelun, A., Pilarczyk, M., Kloskowski, A., Namieśnik, J. Polyethylene glycol-coated solid-phase microextraction fibres for the extraction of polar analytes—A review. Talanta. 87, 1-7 (2011).
  9. Vas, G., Vékey, K. Solid-phase microextraction: a powerful sample preparation tool prior to mass spectrometric analysis. J. Mass Spectrom. 39 (3), 233-254 (2004).
  10. Odziemkowski, M., Koziel, J. A., Irish, D. E., Pawliszyn, J. Sampling and Raman confocal microspectroscopic analysis of airborne particulate matter using poly(dimethylsiloxane) solid phase microextraction fibers. Anal. Chem. 73 (13), 3131-3139 (2001).
  11. Grosse, M. T., Lamotte, M., Birot, M., Deleuze, H. Preparation of microcellular polysiloxane monoliths. J. Polym. Sci., Part A: Polym. Chem. 46 (1), 21-32 (2007).
  12. Sun, W., Yan, X., Zhu, X. Synthesis, porous structure, and underwater acoustic properties of macroporous cross-linked copolymer beads. Colloid Polym. Sci. 290 (1), 73-80 (2012).
  13. Dufaud, O., Favre, E., Sadtler, V. Porous elastomeric beads from crosslinked emulsions. J. Appl. Polym. Sci. 83 (5), 967-971 (2002).
  14. Farmer, B. C., Mason, M., Nee, M. J. Concave porosity non-polar beads by a modified microbubble fabrication. Mater. Lett. 98, 105-107 (2013).
  15. Flegler, S. L., Heckman, J. W., Klomparens, K. J. Scanning and Transmission Electron Microscopy: An Introduction. , Oxford University Press. 151-155 (1995).
  16. Brunauer, S., Emmett, P. H., Teller, E. Adsorption of Gases in Multimolecular Layers. J. Am. Chem. Soc. 60 (2), 309-319 (1938).
  17. Sing, K. S. W. Characterization of porous materials: past, present and future. Colloids Surf. A. 241 (1), 3-7 (2004).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Теги

Пористые бусины из ПДМСотношение площади поверхности к объемуультразвуковая обработка эмульсиисшивание триэтоксисиланомсканирующая электронная микроскопияанализ БЭТконцентрация электролитаморфология полимерных бусин
Микросепаратор Изготовление вогнутая пористости PDMS шариков
Связаться с нами
Порекомендовать библиотеке

Конфиденциальность

Условия использования

Политики

© 2026 MyJoVE Corporation. Все права защищены.